Da die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen ihre physikalischen Grenzen erreicht, wird die Suche nach neuen Materialien mit besseren Eigenschaften zu einem zentralen Thema der Branche. Ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Hiroo Suzuki von der Okayama Universität, Dr. Kaoru Kuma von der Shinshu Universität und Dr. Shun Fujii von der Keiō-Universität hat Fortschritte bei der Erforschung der Wachstumsmechanismen von zweidimensionalen Halbleitern erzielt. Mithilfe von In-situ-Beobachtungstechniken gelang es dem Team erstmals, den Bildungsprozess des Materials in einem Mikroreaktor in Echtzeit auf atomarer Ebene zu erfassen. Die Ergebnisse wurden am 12. Dezember 2025 in der Fachzeitschrift „Advanced Science“ veröffentlicht.
Zweidimensionale Halbleiter, wie z. B. Übergangsmetalldichalkogenide, gelten aufgrund ihrer atomaren Dicke und einzigartigen elektrischen Eigenschaften als wichtige Kandidatenmaterialien für die Post-Silizium-Ära. Die präzise Kontrolle der Kristallwachstumsqualität stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar. Basierend auf ihrer zuvor entwickelten Mikroreaktor-Synthesetechnik konstruierte das Forschungsteam ein chemisches Gasphasenabscheidungssystem mit Infrarotbeheizung, das eine direkte Beobachtung des Kristallwachstumsprozesses ermöglicht.
Durch die Variation der Versorgungsbedingungen von Vorläufermaterial und Schwefel identifizierten die Forscher mehrere unterschiedliche Wachstumsmodi, darunter dreieckige Kristalle, große sechseckige Kristalle und bandförmige Kristalle, die sich an die Eigenschaften des Substrats anpassen können. Eine wichtige Erkenntnis war, dass die Zugabe von Schwefel den Schmelzpunkt und die Oberflächenspannung der geschmolzenen Vorläufertröpfchen senkt, wodurch ihre Fließfähigkeit zunimmt. Diese Tröpfchen können sich durch den Marangoni-Effekt über die Substratoberfläche bewegen und kontinuierlich Material an die Wachstumsfront liefern.
Dr. Kaoru Kuma kommentierte: „Die Bewegung der Tröpfchen zu beobachten und direkt das Kristallwachstum zu fördern, war ein Wendepunkt. Dadurch konnten wir einen Wachstumsmechanismus bestätigen, der zuvor nur vermutet werden konnte.“ Diese Echtzeitbeobachtungsarbeit enthüllte den Zusammenhang zwischen den Wachstumsbedingungen und der endgültigen Kristallmorphologie sowie -qualität und liefert damit eine Grundlage für das gezielte Design und die Synthese funktionaler zweidimensionaler Materialien.
Associate Professor Hiroo Suzuki fasste zusammen: „Diese Studie zeigt, dass direkte Beobachtung der Schlüssel zur echten Kontrolle von Materialien ist. Indem wir verstehen, wie zweidimensionale Halbleiter wachsen, können wir die nächste Generation elektronischer Bauelemente von der atomaren Ebene aufwärts entwerfen.“ Die in dieser Studie aufgedeckten Mechanismen könnten die zukünftige Entwicklung von Anwendungen in Bereichen wie energieeffiziente Elektronik, flexible Sensoren und hochintegrierte Chips vorantreiben.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Hiroo Suzuki et al., Titel: „Inside the Microreactor: In-situ Real-Time Observation of the Vapor-Liquid-Solid Growth Process of Monolayer Transition Metal Dichalcogenides“, veröffentlicht in: Advanced Science (2025). Zeitschrifteninfo: Advanced Science
